基于STM32的智能看护婴儿床

孙涛 王春柳

摘  要：随着物联网技术的不断发展和智能家居的逐步实现，传统婴儿床难以满足市场的需求，为了减轻年轻父母照看婴儿的负担，保障婴儿的睡眠质量，文章采用STM32F103为核心控制器，采集各类传感器的数据后进行分析处理，结合蓝牙模块将数据传输至手机APP，实现了婴儿周围环境的检测、啼哭报警、踢被报警、体重测量、智能音乐播放等功能。实物操作简单，与传统婴儿床相结合实现智能化看护，解决可能出现的实际问题，并且性价比高，使用价值强。

关键词：STM32;智能婴儿床;传感器;蓝牙模式

中图分类号：TB472;TP368.1      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）24-0174-04

Intelligent Care Baby Crib Based on STM32

SUN Tao，WANG Chunliu

（Nanjing Normal University Zhongbei College，Zhenjiang  210046，China）

Abstract：With the continuous development of the internet of things technology and the gradual realization of smart home，traditional baby cribs are hard to meet the needs of the market. In order to lighten the burden of young parents to take care of their babies，and to ensure the quality of their babiessleep，the paper uses STM32F103 as the core controller，collects data from various sensors and then analyzes and processes the collected data，and combines the Bluetooth module to transmit the data to mobile APP to realize a series of functions，such as detecting of the babys surrounding environment，crying alarm，quilt kicking alarm，and weight measurement，smart music playing etc. The physical operation is simple，on the basis of combining with the traditional baby crib，it realizes intelligent care，solves the actual problems that may occur，and has high performance-price ratio and strong use value.

Keywords：STM32;intelligent baby crib;sensor;Bluetooth mode

0  引  言

隨着我国全面放开二胎政策，越来越多的家庭开始承受较重的育儿压力，智能婴儿床可以给婴儿更好的照顾，同时减轻父母育儿负担，提高生活质量。因此课题组通过调研父母需求以及结合市场需求设计了一款基于STM32F103的智能看护婴儿床，该装置可以有效地与传统婴儿床相结合，实现婴儿床的智能化看护。本次设计的智能婴儿床加入了温湿度传感器、声音传感器来实时监测婴儿的状态，还加入了智能踢被检测、体重检测、音乐播放功能来预测婴儿健康情况，提供相关娱乐场景，最后该装置可以通过蓝牙与手机APP进行连接，实现对家长的异常提醒和播放婴儿喜欢的音乐。整个系统目前已完成相关硬件电路的设计和软件开发，相关的硬件具体将结合传统婴儿床的结构，安装在相应位置。本文设计的婴儿床可用于看护刚出生或较小的婴儿，这样也可减轻新手妈妈的担忧和不安。现场测试表明，该婴儿床运行安全、方便、可靠，检测精度高，具有广阔的使用前景。

1  总体设计方案

本文设计的智能看护婴儿车含有多个传感器和多个模块，如核心控制器 、踢被检测模块、压力传感模块、音乐播放模块、环境检测模块、通信模块、终端显示模块、啼哭监测模块等，将各个部分结合起来，构成一个稳定的系统，系统的结构框图如图1所示。

为满足对婴儿的悉心照料，又能让父母节省时间和精力。首先，将系统的相关检测模块安装在传统婴儿床的相应位置。婴儿房间内的温度在夏季应保持在26 ℃左右，在冬季保持在20 ℃左右，春秋两季不需要特别调整，湿度要达到45%～70%，湿度对婴儿的呼吸道健康非常重要。通过对婴儿周围环境的温湿度进行检测，判断环境是否为婴儿适宜温湿度，并在异常时通过APP进行提醒;啼哭监测模块可检测婴儿啼哭情况，方便父母不在婴儿身边时及时了解婴儿状态;新生婴儿发育快，体重增长迅速，为了确保父母对其营养摄入的把控，增加压力传感器，用于对婴儿的体重进行检测，让父母观察到婴儿的成长。音乐播放模块可以在婴儿情绪烦躁时，父母通过手机APP发送相应指令，实现播放音乐的功能。睡眠对婴儿的成长尤为重要，但婴儿活泼好动，在睡眠过程中容易踢被而使自己生病，所以踢被检测模块作为婴儿看护装置中一个重要的组成部分，将多个温度传感器嵌入到婴儿睡眠的被子，检测婴儿被子内外差异，主要实现的功能是，判断出婴儿是否踢掉被子，在婴儿踢被后及时通过手机APP提醒父母为其盖好被子。

2  硬件系统设计

整个硬件系统主要由八个部分组成：核心控制器、踢被检测模块、压力传感模块、音乐播放模块、环境检测模块、通信模块、终端显示模块、啼哭监测模块。

2.1  核心控制器

本系统采用STM32F103芯片为核心控制器对各模块进行控制。采用STM32F103芯片是因为它有着极高的性价比、简单易用的库开发方式，其是一款基于ARM Cortex-M内核STM32系列32位微控制器，其主频可达72 MHz，可进行复杂的计算和控制。DHT11温湿度传感器、HX711压力传感器、LM386声音传感器以及LM75A温度传感器，挂载于STM32F103的IO口上用于监控环境和婴儿的生理状况并处理传感器传回的数据。它包含了高速存储器以及UART、USART等先进的通信接口，通过与HC-08蓝牙模块连接，实现信息传输。用户通过手机端接收信息并发送相应指令使核心控制器控制音乐模块的工作。核心控制器如图2所示。

2.2  踢被检测模块

婴儿由于体质弱、抵抗力差，如果睡眠时着凉可能会引起生病，因此本设计提供一种踢被提醒的睡眠监测系统，能够对婴儿的踢被状态进行监测并及時提醒监控者。核心控制器采用多个温度传感器嵌入被子里感知被子内和外界的温度并进行比较，判断婴儿的踢被状态，核心控制器通过通信模块向APP发送信息，及时提醒家长为婴儿盖好被子。温度传感器选择的是LM75A，其是一款高速I2C接口的温度传感器，LM75A的时钟线SCL接单片机的PB^6口，数据线SDA接PB^7口，单片机通过软件I2C与温度模块进行数据采集。地址寄存器中A7～A4为固定地址，进行数据传输、采集实时温度;A3～A1可选地址，对应LM75A的三个地址引脚;A0为读/写功能位，1为读取，0为写入，在对每个模块进行地址设置后，一条总线上最多可使用8个LM75A，同时它是低功耗设计，工作电流典型值为250.0 μA，掉电模式为3.5 μA，能提供良好的温度精度（0.125 ℃），保证踢被检测的准确性。同时该模块无须再进行AD转换，能够直接提供环境温度对应的数字信息，直接表示温度。其电路图如图3所示。

2.3  压力传感模块

压力传感模块是由HX711和称重传感器组成。HX711芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内部的A/D转换器提供电源。满量程输出电压=激励电压×1.0 mV/V，HX711模块A通道带有128倍信号增益，可以将5 mV的电压放大128倍然后采样输出24 bit AD转换的值，单片机的PB^0口接时钟引脚SCK，PB^1口接数据传送引脚，通过指定时序将24 bit数据处理并在屏幕上进行显示。新生婴儿发育快、体重增长迅速，父母可以通过体重检测来了解婴儿的生长，把控其营养摄入的需求。

2.4  音乐播放模块

当婴儿烦躁、焦虑时，父母可以通过手机APP启动系统的音乐播放功能帮助婴儿舒缓情绪。音乐播放采用ISD1820，因为该模块可以进行高质量、自然的语音还原，还可用作喊话器模块。同时它的PLAYE端与单片机的PA^4口相连，在通过按键分别进行循环播放、点动播放、录音的同时，再结合蓝牙传输模块，通过手机端控制音乐的播放。

2.5  环境检测模块

环境监测模块主要功能是感知外界温度和湿度，并将采集到的数据发送至单片机。DHT11温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，通过微控制器接口与该模块连接达到温度和湿度数字输出。该产品具有响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点。其具有超小体积、极低功耗的同时，测量精确度高，工作原理也较为简单，温湿度传感器的使能端与单片机PB^12连接，实时检测婴儿床周围温湿度。同时DHT11温湿度传感器的湿度检测范围为20 %RH～95 %RH，温度测量范围为0 ℃～50 ℃，使其可以准确测量婴儿床的环境。然后在液晶显示屏上实时显示。其电路图如图4所示。

2.6  通信模块

蓝牙是一种标准的无线通信协议，它以收发芯片为基础，具有成本低、功耗低的特点。HC-08蓝牙模块是Bluetooth Specification V4.0 BLE蓝牙协议的数传模块。无线工作频段为2.4 GHz ISM，调制方式是GFSK。模块最大发射功率为4 dBm，可以实现80米的超远距离通信。主从机一体同时可以通过AT指令进行切换。STM32F103有三个串口，HC-08模块与单片机连接使用的是USART3，主要连接方式是HC-08的RXD接单片机的PB^10口，TXD接PB^11口。工作流程如图5所示。

2.7  终端显示模块

终端显示模块采用0.96寸的OLED屏12 864液晶显示屏模块。正常显示功耗为21 mA～28 mA。该模块使用I2C与单片机连接，单片机的PB^9口接液晶显示屏的时钟线SCL，PB^8接数据线SDA。该屏幕上显示实时温湿度、实时时间及婴儿体重，让父母更为直观地了解到婴儿床的周围环境和婴儿的成长。同时在播放音乐时显示对应的图标。

2.8  啼哭监测模块

啼哭检测模块由LM386声音传感器组成。该模块采用LM386对音频信号进行200倍放大，可调节灵敏度，LM386有数字量输出和模拟量输出，由于要判断婴儿是否啼哭，本设计通过单片机采集该模块的模拟量输出，由单片机的PA^0口接该模块的AOUT，将采集的信号进行AD转换后判断是否为婴儿啼哭并进行提醒。婴儿若发生长时间啼哭，说明婴儿可能有意外状况发生，及时提醒父母以帮助婴儿解决。

3  软件系统设计

智能婴儿装置开启后，首先执行系统初始化，初始化完成后，各模块开始运转。核心控制器读取温湿度传感器、声音传感器和压力传感器检测到的值，当温湿度数据和声音信号超过设定的安全阈值后，通信模块将向父母手机发送提醒信息，在开始踢被监测功能后，在婴儿踢被时，系统将通过手机APP及时提醒使父母及时帮助婴儿盖上被子。同时父母可以通过手机APP发送相关指令操作装置上的音乐播放模块播放音乐。主程序程流程图如图6所示。

4  结  论

本文中所设计的智能看护婴儿床以STM32F103为核心控制器，结合传感模块、通信模块、终端显示模块、音乐播放模块和软件控制，最终实现了智能看护的要求。根据婴幼儿实际需要，解决帮助父母保护和呵护婴儿的成长的需求，为婴儿创造一个良好舒适的培育环境。经过论证，系统能达到设计所需的要求，具有一定的便携性，可以与传统婴儿床相结合，具有一定的使用价值。整个设计过程中最大的特点是能够在婴儿踢被后及时通过手机APP进行提醒。温湿度检测、体重检测数据在屏幕实时显示，啼哭报警系统正常，可以通过APP控制音乐播放模块播放音乐，系统容错率较高。本设计创新点在于看护装置实现的踢被提醒和体重检测功能。本文设计的智能看护婴儿床系统还有不足之处，还需继续完善，如：还可添加收集婴儿的成长数据的功能，以便父母更加直观地了解婴儿的成长，后期也会进一步的改善。

参考文献：

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作者简介：孙涛（1998.08 --），男，汉族，江苏淮安人，本科在读，研究方向：信息科学与技术;王春柳（1989.01—），女，汉族，江苏镇江人，讲师，硕士，研究方向：嵌入式与智能控制。